Untuk membuat jam atom gas kuantum ini, para periset menggunakan beberapa laser untuk mendinginkan atom strontium dan menjebaknya dalam kotak cahaya. Kemudian, sinar laser biru menggairahkan awan berbentuk kubus dari atom.
Sebuah jenis jam atom baru lebih tepat daripada yang belum dibangun, dengan kemampuan untuk memberi tanda dengan lancar selama seribu kali kehidupan alam semesta. Selain menjadi pencatat waktu terbaik sampai saat ini, jam gas kuantum yang baru disebut mungkin suatu hari menawarkan wawasan tentang fisika baru.
Periset di JILA (sebelumnya juga disebut sebagai Institut Bersama untuk Laboratorium Astrofisika) menggunakan kombinasi atom strontium dan serangkaian sinar laser untuk menciptakan jam yang sangat tepat sehingga bisa mengukur interaksi gravitasi pada skala yang lebih kecil daripada sebelumnya. . Dengan melakukan hal itu, hal itu mungkin menjelaskan sifat hubungannya dengan kekuatan fundamental lainnya, sebuah misteri yang telah membingungkan fisikawan selama beberapa dekade.
Jam atom mengukur waktu dengan menggunakan getaran atom seperti metronom yang sangat tepat. Jam atom saat ini tidak aktif beberapa detik selama puluhan miliar tahun. Iterasi terbaru ini tetap cukup tepat sehingga hanya akan berlangsung 1 detik selama sekitar 90 miliar tahun.
Untuk mendapatkan ketepatan seperti itu, tim mendinginkan atom strontium agar tidak bergerak dan saling menabrak – sesuatu yang bisa melepaskan getarannya. Pertama, mereka memukul atom dengan laser. Saat terkena foton di laser, atom menyerap energi mereka dan memancarkan kembali foton, kehilangan energi kinetik dan semakin dingin. Tapi itu tidak cukup mendinginkannya. Jadi untuk membuat mereka lebih dingin, tim mengandalkan pendinginan evaporatif, yang memungkinkan beberapa atom strontium menguap dan menerima lebih banyak energi. Mereka tertinggal dengan antara 10.000 dan 100.000 atom, pada suhu hanya 10 sampai 60 miliar derajat di atas nol mutlak, atau minus 459 derajat Fahrenheit (minus 273 derajat Celsius).
Atom dingin terjebak oleh susunan laser 3D. Balok dipasang saling mengganggu. Ketika mereka melakukannya, mereka menciptakan daerah dengan energi potensial rendah dan tinggi, yang disebut sumur potensial. Sumur bertindak seperti karton telur tumpuk, dan masing-masing memegang atom strontium.
Atom menjadi sangat dingin sehingga mereka berhenti berinteraksi satu sama lain – tidak seperti gas normal, di mana atom-atom berputar secara acak dan memantul dari rekan-rekan mereka, atom yang didinginkan tersebut tetap terjaga. Mereka kemudian mulai berperilaku dengan cara yang kurang seperti gas dan lebih seperti yang solid, meski jarak di antara mereka jauh lebih besar dari apa yang ditemukan di strontium padat.
“Dari sudut pandang itu, ini adalah bahan yang sangat menarik, sekarang memiliki sifat seolah-olah itu adalah solid state,” pemimpin proyek Jun Ye, seorang fisikawan di Institut Nasional Standar dan Teknologi, mengatakan kepada Live Science. (JILA dioperasikan bersama oleh NIST dan University of Colorado di Boulder.)
Pada titik ini, jam sudah siap untuk mulai menyimpan waktu: Para periset memukul atom dengan laser, menarik satu elektron yang mengorbit inti strontium. Karena elektron diatur oleh hukum mekanika kuantum, seseorang tidak dapat mengatakan tingkat energi elektron apa adanya begitu sangat bersemangat, dan hanya dapat mengatakan bahwa ia memiliki probabilitas berada pada satu atau lain hal. Untuk mengukur elektron, setelah 10 detik, mereka melepaskan laser lain di atom. Laser itu mengukur di mana elektron berada di sekitar nukleus, karena foton dari laser dipancarkan ulang oleh atom – dan berapa kali ia terombang-ambing pada periode itu (10 detik).
Rata-rata pengukuran ini terhadap ribuan atom adalah apa yang memberi jam atom ini ketepatannya, sama seperti rata-rata denyut dari ribuan pendulum yang sama akan memberi gambaran yang lebih tepat tentang jangka waktu pendulum itu.
Sampai sekarang, jam atom hanya memiliki satu “senar” atom yang berlawanan dengan kisi 3D, jadi mereka tidak dapat melakukan pengukuran sebanyak yang dilakukan satu ini, kata Ye.
“Ini seperti membandingkan jam tangan,” kata Ye. “Dengan menggunakan analogi itu, denyut laser pada atom menendang osilasi yang koheren. Sepuluh detik kemudian kita menghidupkan pulsa lagi dan bertanya kepada elektron, ‘Di mana Anda?'” Pengukuran itu dirata-ratakan di ribuan atom.
Menjaga elektron di negara di antara itu sulit, kata Ye, dan itulah alasan lain mengapa atom begitu dingin, sehingga elektron tidak sengaja menyentuh benda lain.
Jam pada dasarnya bisa mengukur detik sampai 1 bagian dalam triliunan. Kemampuan ini membuat lebih dari sekedar pencatat waktu yang benar-benar baik; Ini mungkin membantu pencarian fenomena seperti materi gelap, kata Ye. Misalnya, seseorang dapat membuat percobaan di luar angkasa menggunakan pewaktu yang akurat untuk melihat apakah atom berperilaku berbeda dari perkiraan teori konvensional.
Penelitian ini dirinci dalam jurnal Science edisi 6 Oktober.
